Diagrama hierro-carbono

El hierro puro está presente en 2 estados, a medida que se incrementa la temperatura desde la temperatura ambiente

• Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC₃), el hierro ordinario cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro α (alfa) o ferrita. Es un material dúctil y maleable, responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se suele llamar también AC₂). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.
• Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el «sistema cúbico centradas en las caras» y recibe la denominación de hierro γ (gamma) o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
• Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el «sistema cúbico centrado en el cuerpo» y recibe la denominación de hierro δ (delta), que es en esencia el mismo hierro alfa pero con un parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura, el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, aumenta su grado de ductilidad y sus átomos podrían situarse simplemente en los lugares más pequeños de la red cristalina de este último; sin embargo, en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe₃C), es decir, un compuesto químico llamado cementita, de modo que los aceros aleados al carbono están formados realmente por ferrita y cementita.

Zona de los aceros (hasta un 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono. Dado que, en los aceros, el carbono se encuentra formando carburo de hierro, se han incluido, en abscisas, las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:

• Una mezcla eutéctica (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y que contiene un 4.3  de carbono (64,5% de cementita). La ledeburita aparece como uno de los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo, se observa que, por encima de la temperatura crítica A₃,[nota 1] los aceros están constituidos solo por austenita, una disolución sólida de carbono en hierro γ, y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra esta.

• Una mezcla eutectoide en la zona de los aceros equivalente al eutéctico pero en el estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,80% de C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituida por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de ambas.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

• Aceros hipoeutectoides (contenido de C menor de 0,80%). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A₃ comienza a precipitar la ferrita entre los granos de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A₁ la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto, a temperatura ambiente, una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
• Aceros hipereutectoides (contenido de C mayor de 0,80%). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita ya que este es un tratamiento térmico y su temperatura se eleva hasta dicha temperatura.

Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo, modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:

• La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es la cantidad de carbono, a la sustitución de la estructura «cúbica centrada en el cuerpo» por «tetragonal centrada en el cuerpo». Tras la cementita (y los carburos de otros metales), es el constituyente más duro de los aceros.
• Las velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquella.
• También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso; tal es el caso, por ejemplo, de los aceros inoxidables austeníticos.

Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.